(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大モード面積（ＬＭＡ）光ファイバであって、
（ｉ）  ０．０２％＜ΔC＜０．１５％である相対屈折率ΔC、および１０μｍ＜ｒ1＜３０μｍであるコア半径ｒ1を有するコア領域、
（ｉｉ）５０μｍ＜ｒIN＜５００μｍである外径ｒINを有する内側クラッド領域であって、
（ａ）  前記コア領域に直に隣接しこれを取り囲み、内径ｒ1、３μｍ＜δｒ1＜１５μｍである外径ｒ2＝ｒ1＋δｒ1、および相対屈折率Δ1＝０％を有する、第１の環状領域と、
（ｂ）  前記第１の環状領域を取り囲み、０．５ΔC＜ΔR1＜２ΔC、およびΔR1＞Δ1である相対屈折率ΔR1、内径ｒ2、外径ｒ3、およびリング幅ＷR1を有する第１のリングと、
（ｃ）  前記第１のリングを直に取り囲み、内径ｒ3、外径ｒIN、および相対屈折率Δ3を有し、Δ3≧Δ1である外側環状領域と、
を含み、δｒO1≧０について、ｒIN＝ｒ3＋δｒO1であり、ｒIN≧ｒ3＞ｒ2＞ｒ1である内側クラッド領域、および
（ｉｉｉ）  前記内側クラッド領域を直に取り囲み、相対屈折率ΔO≦Δ1を有する外側クラッド、
を有してなる光ファイバ。
【請求項２】
前記第１のリングが前記外側クラッドまで延在するようにδｒO1＝０であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項３】
前記内側クラッド領域が、前記第１のリングを取り囲む第２のリングであって、以下の条件：
（ｉ）  前記第２のリングが、δｒM＞０である内径ｒ4＝ｒ3＋δｒM、δｒO2≧０である外径ｒ5＝ｒIN−δｒO2、および０．５ΔC＜ΔR2＜２ΔCおよびΔR2＞Δ1である相対屈折率ΔR2を有する；
（ｉｉ）  前記内側クラッド領域が、前記第２のリングを取り囲む第３のリングを含む、
の内の少なくとも１つを満たす第２のリングを含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項４】
前記第２のリングが前記外側クラッドまで延在するようにδｒO2＝０であることを特徴とする請求項３記載の光ファイバ。
【請求項５】
０．０２％＜ΔC＜０．１％であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項６】
δｒO1≧２μｍであることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項７】
Δ3＞Δ1＋０．０１％であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項８】
前記コア領域が有効面積Ａeff＞１５０μｍ2を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項９】
前記コア領域が有効面積Ａeff＞３００μｍ2を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項１０】
前記光ファイバに、ＤB≧９ｃｍとなるように選択された曲げ直径ＤBを有する曲げが与えられ、該曲げにより、前記光ファイバがシングルモードをサポートすることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項１１】
（ｉ）  前記コア領域に、該コア領域を利得媒体にするように１種類以上の希土類元素がドープされている、および／または（ｉｉ）前記光ファイバが、該光ファイバを偏波維持にするように前記コア領域に対して配置された応力誘起領域を含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項１２】
波長λ＝１０６０ｎｍで３００μｍ2のモードフィールド直径（ＭＦＤ）を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
【請求項１３】
マルチモード光をシングルモード光に変換する光学系であって、
入力光を生成するように適合された光源、および
出力端と入力端を含み、前記入力端が前記光源に光学的に結合されている請求項１記載の光ファイバ、
を備えた光学系。
【請求項１４】
前記コア領域に、利得媒体を形成するように少なくとも１種類以上の希土類元素がドープされており、前記光学系が、
前記光ファイバに光学的に結合されたポンプ光源であって、前記利得媒体を通過する前記入力光の光学的増幅を提供するように、該利得媒体をポンピングするために前記コア領域にポンプ光を提供するように構成されたポンプ光源、および
前記光ファイバの出力端から出力された光学的に増幅された入力光を受光し、それから波長変換された光を形成するように配置された非線形光学媒体、
をさらに含むことを特徴とする請求項１３記載の光学系。
【請求項１５】
大モード面積（ＬＭＡ）光ファイバを形成する方法において、
０．０２％＜ΔC＜０．１５％である相対屈折率ΔC、および１０μｍ＜ｒ1＜３０μｍであるコア半径ｒ1を有するコア領域を形成する工程、
前記コア領域の周りに、内側と外側のクラッド領域を有するクラッドを形成する工程であって、前記内側クラッド領域が、５０μｍ＜ｒIN＜５００μｍである外径ｒINを有する工程、
前記コア領域に直に隣接しこれを取り囲み、内径ｒ1、３μｍ＜δｒ1＜１５μｍである外径ｒ2＝ｒ1＋δｒ1、および相対屈折率Δ1＝０％を有する、第１の環状領域を前記内側クラッド領域に形成する工程、および
０．５ΔC＜ΔR1＜２ΔC、およびΔR1＞Δ1である相対屈折率ΔR1、内径ｒ2、外径ｒ3、およびリング幅ＷR1を有し、前記第１の環状領域を直に取り囲む第１のリングを、前記内側クラッド領域内に形成する工程を有してなり、
δｒO 1≧０について、ｒIN＝ｒ3＋δｒO1であり、ｒIN≧ｒ3＞ｒ2＞ｒ1であることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く、光ファイバに関し、詳しくは、高次モードの減衰のためにシングルモード光ファイバとして動作する、大モード面積を有する光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバは、ファイバレーザにおいて重要な構成部材である。高出力の単一周波数のファイバレーザには、レーザレーダおよびイメージング、可視光または紫外（ＵＶ）光を生成するための周波数変換、スペクトルおよびコヒーレントビーム結合のためのモジュールとして、生物医学用光源として、およびマイクロ加工を含む多くの様々な用途がある。
【０００３】
ファイバレーザは、できるだけ高い出力およびできるだけ高い輝度を有することが一般に望ましい。しかしながら、出力が増加するにつれて、誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）および誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）などの有害な非線形作用が増加してしまう。レーザの出力を増加させる方法の１つは、コアの相対屈折率を減少させ、コアの直径を増加させることによって、光ファイバを大モード面積にすることである。しかしながら、今日の持続波（ＣＷ）単一周波数ファイバレーザまたは光ファイバ増幅器の最大出力は、２０〜３０μｍのコア直径および０．０６〜０．０６のコアの開口数（ＮＡ）を有する大モード面積（ＬＭＡ）光ファイバを使用した場合でさえ、誘導ブリユアン散乱（ＳＢＳ）のために約数百ワットに限られる。コアの直径を増加させるには、コアのＮＡを減少させて、回折限界のビーム品質を維持する必要がある。
【０００４】
フォトニック結晶技術を用いて、ＮＡが＜０．０３の超低ＮＡファイバを形成することができるが、そのような光ファイバは、ファイバの構造パラメータに非常に敏感であり、それゆえ、製造するのが非常に難しい。
【０００５】
非線形作用を克服する別の選択肢は、マルチモード光ファイバを使用することである。回折限界ビームの品質を保持するために、マルチモード光ファイバは非常にきつく巻き付けられて、高次モードに基本モードよりもずっと高い損失を持たせるきつい曲げ部を提供する。きつい曲げは、一般に、ファイバの外径の５０〜１５０倍の曲げ直径と定義される。しかしながら、非常に高いマルチモード光ファイバ（Ｖ数＞４）について、基本モードと高次モードの間の曲げ誘起損失の差は、回折限界のビーム品質を達成するのがほとんど不可能であるほど小さい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高出力ファイバレーザについて、光ファイバを巻き付けて非常に小さい曲げ直径を形成することには問題がある。それは、ほとんどの高出力ファイバレーザには、十分なポンプ光を光ファイバに結合させるために、大きな光ファイバの直径が必要であるからである。そのような光ファイバにおけるきつい曲げ部は、高いポンプ光損失を生じ、光ファイバの機械的破損の原因となり得る。さらに、きつい曲げにより、著しいモード歪みが生じ、有効モード面積が減少してしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、シングルモードで高い光出力を搬送しながら、非線形効果を抑制することのでき、それゆえ、高出力ファイバレーザおよび増幅器と共に使用するのに特に適している大モード面積（ＬＭＡ）光ファイバに関する。この光ファイバは、高次モードの減衰のために選択された波長でのシングルモード動作をサポートし、これにより、実質的に回折限界のビーム品質が保証される。高次モードの高い減衰は、内側クラッド領域内に屈折率の上昇した「リング」を少なくとも１つ加えることにより生じる。ＬＭＡ光ファイバには、シングルモードとなるためのきつい曲げは必要ない。ある実施の形態において、曲げ直径は９０ｍｍより大きい。特定の実施の形態において、ＬＭＡ光ファイバには曲げは必要ない。光ファイバの有効モードフィールド直径は、４０〜５０μｍまで拡大可能であり、これは、既存の光ファイバのものの約２倍である。その結果、本発明のＬＭＡ光ファイバを使用するファイバレーザシステムは、上述した有害な非線形作用の兆候なく、従来のＬＭＡファイバよりも約１０倍まで大きい出力をサポートすることができる。
【０００８】
したがって、本発明のある態様は、０．０２％＜ΔC＜０．１５％である相対屈折率ΔC、および１０μｍ＜ｒ1＜３０μｍであるコア半径ｒ1を有するコア領域を含むＬＭＡ光ファイバである。この光ファイバは、５０μｍ＜ｒIN＜５００μｍである外径ｒINを有する内側クラッド領域も含む。この内側クラッド領域は、コア領域に直に隣接しこれを取り囲み、内径ｒ1、３μｍ＜δｒ1＜１５μｍである外径ｒ2＝ｒ1＋δｒ1、および相対屈折率Δ1＝０％を有する、第１の環状領域を含む。少なくとも第１のリングが、第１の環状領域を取り囲み、０．５Δc＜ΔR1＜２ΔC、およびΔR1＞Δ1である相対屈折率ΔR1、内径ｒ2、外径ｒ3、およびリング幅ＷR1を有し、ここで、δｒO1≧０について、ｒIN＝ｒ3＋δｒO1であり、ｒIN≧ｒ3＞ｒ2＞ｒ1である。光ファイバは、このリングを直に取り囲む外側環状領域も含む。外側環状領域は、内径ｒ3、外径ｒIN＝ｒ3＋δｒO、および相対屈折率Δ3を有し、Δ3≧Δ1である。この光ファイバは、内側クラッドを直に取り囲み、相対屈折率ΔO≦Δ1を有する外側クラッドも含む。
【０００９】
本発明の別の態様は、ＬＭＡ光ファイバを形成する方法である。この方法は、０．０２％＜ΔC＜０．１５％である相対屈折率ΔC、および１０μｍ＜ｒ1＜３０μｍであるコア半径ｒ1を有するコア領域を形成する工程を含む。この方法は、コア領域の周りに、内側と外側のクラッド領域を有するクラッドを形成する工程も含み、ここで、内側クラッド領域は、５０μｍ＜ｒIN＜５００μｍである外径ｒINを有する。この方法はさらに、コア領域に直に隣接しこれを取り囲み、内径ｒ1、３μｍ＜δｒ1＜１５μｍである外径ｒ2＝ｒ1＋δｒ1、および相対屈折率Δ1＝０％を有する、第１の環状領域を内側クラッド領域に形成する工程を含む。この方法は、０．５Δc＜ΔR1＜２ΔC、およびΔR1＞Δ1である相対屈折率ΔR1、内径ｒ2、外径ｒ3、およびリング幅ＷR1を有し、第１の環状領域を直に取り囲む少なくとも第１のリングを、第１のクラッド領域内に形成する工程も含み、ここで、δｒO1≧０について、ｒIN＝ｒ3＋δｒO1であり、ｒIN≧ｒ3＞ｒ2＞ｒ1である。
【００１０】
ここに開示されたＬＭＡ光ファイバは、従来技術の光ファイバより優れた利点が数多くある。有効コア直径は既存の光ファイバの約２倍であり得、これにより、有害な非線形効果がより抑制される一方で、比較的短い長さのファイバを使用することができる。さらに、基本モードとより高次のモードとの間の曲げ損失減衰差Δα（もしくは、相対減衰αr）は、基本モードのみが伝搬できる選択された曲げ半径で十分に大きい。光ファイバ増幅器または光ファイバレーザに使用される場合、基本モードを増幅でき、出力ビームの品質が高くなる。
【００１１】
少なくとも１つのリングにより、本発明のＬＭＡ光ファイバの設計が、様々な性能要件を満たすために遙かに融通性がきく。例えば、本発明のＬＭＡ光ファイバにはきつい曲げが必要ない。きつい曲げは、光ファイバをファイバレーザまたは増幅器の用途に使用する場合、ポンプ光の損失の原因となるので、このことは有益である。ある実施の形態において、本発明のＬＭＡ光ファイバには曲げは必要ない。
【００１２】
本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、その一部は、その節名から当業者には容易に明らかであるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含む、ここに記載された発明を実施することによって認識されるであろう。
【００１３】
先の一般的な説明および以下の詳細な説明は、本発明の実施の形態を表し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概要または構成を提供することを意図したものである。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれたものであり、本明細書に包含され、その一部を構成する。これらの図面は、本発明の様々な実施の形態を示しており、説明と共に、本発明の原理および動作を説明するように働く。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明によるＬＭＡ光ファイバのある部分の側面図
【図２】コア、内側クラッド、外側クラッドおよびカバーを示す、図１の線２−２に沿ってとられた図１のＬＭＡ光ファイバの一般化された実施の形態の断面図
【図３】内側クラッドが１つのリングを備えている実施の形態を示す、図２のＬＭＡ光ファイバの一般化された実施の形態のより詳しい断面図
【図４】図３の断面図に示された実施の形態に関する光ファイバの半径ｒの関数としての理想的な相対屈折率プロファイルΔをプロットしたグラフ
【図５】リングが外側クラッドまでずっと延在している実施の形態を示す、図３のものに類似した断面図
【図６】図４のものに似ているが、図５の断面図に示された実施の形態に関するグラフ
【図７】内側クラッドが２つのリングを備えている実施の形態を示す、図３のものに類似の断面図
【図８】図４のものに似ているが、図７の断面図に示された実施の形態に関するグラフ
【図９】第２のリングが外側クラッドまでずっと延在している実施の形態を示す、図５および図７のものに類似した断面図
【図１０】図６のものに似ているが、図９の断面図に示された実施の形態に関するグラフ
【図１１】内側クラッドが３つのリングを備えている実施の形態を示す、図５および図７のものに類似した断面図
【図１２】図１０のものに似ているが、図１１の断面図に示された実施の形態に関するグラフ
【図１３】図３のものに似ているが、能動ファイバのポンプ吸収を改善するために非円形ポンプクラッドを有する断面図
【図１４】コア直径ｄC＝３０μｍを有する実施の形態のＬＭＡ光ファイバに関する、半径ｒ（μｍ）の関数としての測定した相対屈折率Δ（％）をプロットしたグラフ
【図１５Ａ】曲げ直径ＤB＝１６ｃｍを有する実施の形態のＬＭＡ光ファイバに関する、測定した曲げ半径（μｍ）対位置（ｍｍ）をプロットしたグラフ
【図１５Ｂ】図１５Ａと同じであるが、曲げ直径がＤB＝３２ｃｍであるグラフ
【図１６Ａ】図５と似ているが、本発明のＬＭＡ光ファイバの偏光保存の実施の形態を示す断面図
【図１６Ｂ】図５と似ているが、本発明のＬＭＡ光ファイバの偏光保存の実施の形態を示す断面図
【図１７Ａ】ｄC＝２０μｍにおけるＬＰ０１およびＬＰ１１モードの図５および図６に示した単一リングの実施の形態に関する損失（ｄＢ／ｍ）対リングの内径ｒ2をプロットしたグラフ
【図１７Ｂ】図１７Ａと同じであるが、ｄC＝３０μｍであるグラフ
【図１７Ｃ】図１７Ａと同じであるが、ｄC＝５０μｍであるグラフ
【図１８】ｄC＝５０μｍのの様々な異なる光ファイバの構成に関する曲げ損失（ｄＢ／ｍ）対曲げ半径（ＤB／２）をプロットしたグラフ
【図１９】マルチモード被挟導波からシングルモード出力ビームを形成するために本発明のＬＭＡ光ファイバを利用した実施の形態の光学系の概略図
【図２０】波長変換を行うために本発明のＬＭＡ光ファイバを利用した本発明による光学パラメトリック発振器システム（ＯＰＲＳ）の実施の形態の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ここで、本発明の現在好ましい実施の形態を詳しく参照する。その実施例が添付の図面に示されている。できる限り、同じまたは同様の部材を称するために、全図に亘り同じ参照番号および記号が用いられる。
【００１６】
以下の議論において、「屈折率プロファイル」は、屈折率または相対屈折率と導波路ファイバの半径との間の関係である。ｉ番目の領域に関する「相対屈折率パーセント」は、以下に論じるように、ここでは、Δi（％）＝［（ｎi2−ｎ12）／２ｎi2］×１００と定義され、ここで、ｎiは、別記しない限り、ｉ領域の最大屈折率であり、ｎ1は内側クラッド３０の第１の環状内側部分３２Ｉの屈折率である。ここに用いたように、相対屈折率パーセントは、単に、「相対屈折率」または「デルタ」（「Δ」）と称され、その値は、別記されていない限り、または議論の脈絡から明らかなように、「％」の単位で表される。
【００１７】
ある領域の屈折率が、隣接する領域の平均屈折率より小さい場合、相対屈折率は負であり、「低下領域(depressed region)」または「低下屈折率(depressed index)」を有すると称され、相対屈折率が、別記されない限り、最も負が大きい地点で計算される。ある領域の屈折率が、隣接する領域の平均屈折率よりも大きい場合、相対屈折率は正であり、その領域は「上昇している(raised)」または「正の屈折率」を有すると言うことができる。
【００１８】
ここでは、「アップドーパント」は、純粋な未ドープのＳｉＯ2に対して屈折率を上昇させる傾向を有するドーパントであると考えられる。ここでは、「ダウンドーパント」は、純粋な未ドープのＳｉＯ2に対して屈折率を低下させる傾向を有するドーパントであると考えられる。アップドーパントは、アップドーパントではない１種類以上の他のドーパントを伴ったときに、負の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してもよい。同様に、アップドーパントではない１種類以上の他のドーパントは、正の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してもよい。ダウンドーパントは、ダウンドーパントではない１種類以上の他のドーパントを伴ったときに、正の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してもよい。同様に、ダウンドーパントではない１種類以上の他のドーパントは、負の相対屈折率を有する光ファイバの領域に存在してもよい。
【００１９】
「有効面積」は、
Ａeff＝２π（∫ｆ2ｒｄｒ）2／（∫ｆ4ｒｄｒ）
と定義されて、ここで、積分範囲は０から∞であり、ｆは、導波路において伝搬した光に関連する電場の横成分である。ここに用いたように、「有効面積」または「Ａeff」は、別記しない限り、１５５０ｎｍの波長での光学有効面積を称する。
【００２０】
モードフィールド直径（ＭＦＤ）は、ピーターマンＩＩ法（Peterman II method）を用いて測定され、ここで、２ｗ＝ＭＦＤ、およびｗ2＝（２∫ｆ2ｒｄｒ／∫［ｄｆ／ｄｒ］2ｒｄｒ）、積分範囲は０から∞である。コアの開口数ＮＡは［ｎ2c−ｎ21］1/2と定義され、ここで、ｎcはコアの屈折率であり、ｎ1は内側クラッド３０の内側環状部分３２Ｉの屈折率である。
【００２１】
光ファイバの曲げ抵抗は、例えば、一定の直径を有する円柱状マンドレルの周りに１回転以上巻き付けることにより、所定のテスト条件下で誘起された減衰により計ることができる。同様に、以下に論じるように、曲げ直径ＤBなどの選択された直径を有するマンドレルを使用することによって、光ファイバに選択された量の曲げを与えることができ、それにより、本発明のＬＭＡ光ファイバのシングルモード動作がもたらされる。
【００２２】
基本導波モードに関連する減衰はαFにより与えられ、１つ以上の高次導波モードの減衰はαHにより与えられる。高次モードと基本モードとの間の「減衰差」はΔα＝αH−αFにより与えられ、一方で、「相対減衰」はαr＝αH／αFにより与えられる。「減衰差」および「相対減衰」は、以下で、基本モードの減衰と高次モードの減衰との間の差を説明するために用いられる。
【００２３】
本発明の光ファイバは、高次モードの減衰を増加させる構造を有する。この光ファイバは、マルチモードをサポートする大きなコアおよび上昇した屈折率を持つ少なくとも１つの層（リング）を有する。上昇した屈折率を有する層は高次モードの減衰を誘起するのに対し、基本モードの減衰は低いままである。その結果、この光ファイバには、シングルモードになるためにきつい曲げは必要ない。ある実施の形態において、ＤB＞１である。ある実施の形態において、本発明の光ファイバには曲げは必要ない。高次モードと基本モードとの間の著しい差の減衰（または相対減衰）を有することによって、光ファイバにシングルモード動作が達成される。高次モードの総減衰αHは、光ファイバの構造設計による減衰および曲げによる減衰の合計である。それゆえ、「シングルモード」という用語および光ファイバの動作の「シングルモード」への言及は、その減衰がαFにより与えられている基本モードに対する全ての高次モードの実質的減衰を称する。
【００２４】
実施の形態において、基本モードの適切な減衰係数αFは、１ｄＢ／ｍ未満、より好ましくは０．５ｄＢ／ｍ未満、さらにより好ましくは０．１ｄＢ／ｍ未満である。実施の形態において、高次モードの基本モードに対する相対減衰（計数）αr＝αH／αFは、５以上であり、好ましくは１０以上であり、さらに好ましくは２０以上であり、またさらに好ましくは５０以上である。
【００２５】
以下の議論と、相対屈折率の図表において、相対屈折率のプロファイルは、説明のために、理想化されたプロファイルとして示されている。当業者には、そのような理想化されたプロファイルは、製造においては実際に起こらず（例えば、図１４参照）、それゆえ、実際の屈折率プロファイルに対する近似を表すことが理解されよう。しかしながら、以下に論じられ、図面に表された理想化されたプロファイルは、本発明の基本原理を確立したものであり、当業者が本発明を実施することを可能にする。
【００２６】
一般的なＬＭＡ光ファイバの構造
図１は、本発明による大モード面積（ＬＭＡ）光ファイバ１０の側面図である。図２は、図１の線２−２に沿ってとられたＬＭＡ光ファイバ１０の実施の形態の断面図であり、ＬＭＡ光ファイバ１０の主要領域を示している。ＬＭＡ光ファイバ１０は、入力端１２、出力端１４、中心線１６、およびこの中心線の周りに同心に配置された多数の異なる領域、すなわち、中心コア領域（「コア」）２０、コアを直に取り囲む内側環状クラッド領域（「内側クラッド」）３０、および内側クラッドを直に取り囲む外側環状クラッド領域（「外側クラッド」）４０を有する。コア２０は、屈折率ｎCおよび外径ｒ1を有する。コアの直径ｄC＝２ｒ1。
【００２７】
実施の形態において、外側クラッド４０は、一次被覆５０Ｐおよび一次被覆を直に取り囲む二次被覆５０Ｓを含む被覆５０により直に取り囲まれている（図２）。
【００２８】
実施の形態において、ＬＭＡ光ファイバ１０のコア領域２０は、Ａeff＞１５０μｍ2の有効面積を有し、より好ましくはＡeff＞３００μｍ2を有し、さらにより好ましくはＡeff＞５００μｍ2を有する。
【００２９】
以下により詳しく論じるように、内側クラッド３０は、ＬＭＡ光ファイバ１０にシングルモードをサポートさせる比較的大きな曲げ直径を提供するように設計された少なくと１つのリング領域（「リング」）３２Ｒを含む。
【００３０】
単一リングＬＭＡ光ファイバの実施の形態
図３は、内側クラッド３０が１つのリング３２Ｒ１を含んでいる光ファイバ１０の実施の形態を示す、図２に似た断面図である。図４は、図３の実施の形態に関する相対屈折率Δ対半径ｒをプロットしたグラフである。内側クラッド３０は、内径として半径ｒ1を有し、外径ｒINを有する。内側クラッド３０は、コアを直に取り囲み、内径ｒ1、外径ｒ2＝ｒ1＋δｒ1および屈折率ｎ1を有する環状内側部分３２Ｉを含み、これにより、上述した相対屈折率の定義により、Δ1＝０となる。
【００３１】
外側クラッド４０は、内径ｒIN、外径ｒO、および屈折率ｎO並びに関連する相対屈折率ΔOを有する。実施の形態において、外側クラッドの相対屈折率ΔO＜Δ1は、好ましくはΔO＜Δ1−０．０１％、より好ましくはΔO＜Δ1−０．０１５％、さらにより好ましくはΔO＜Δ1−０．０２％である。
【００３２】
この実施の形態と以下に論じる実施の形態の環状内側部分３２Ｉは、一定の相対屈折率Δ1を有する必要はなく、図４の点線に示されるように、変化する相対屈折率を有しても差し支えない。相対屈折率Δ1が変化する場合、環状内側部分３２ＩのΔ1の最低値は、相対屈折率を計算するために選択される。
【００３３】
環状内側部分３２Ｉを直に取り囲むリング３２Ｒ１が、内側クラッド３０内に形成されている。リング３２Ｒ１は、屈折率ｎR1、関連する相対屈折率ΔR1、内径ｒ2および外径ｒ3＝ｒ2＋ＷR1を有し、ここで、ＷR1はリングの幅である。内側クラッド３０は、ある実施の形態において、リング３２Ｒ１を直に取り囲み、内径ｒ3、外径ｒIN＝ｒ3＋δｒO、屈折率ｎ3、および関連する相対屈折率Δ3を有する外側環状部分３２Ｏをさらに含む。
【００３４】
ある実施の形態において、０．０２％＜ΔC＜０．１５％、別の実施の形態において、０．０２％＜ΔC＜０．１％、さらに別の実施の形態において、０．０８％＜ΔC＜０．０９％。また、ある実施の形態において、１０μｍ＜ｒ1＜３０μｍ。別の実施の形態において、５０μｍ＜ｒIN＜５００μｍ。さらなる実施の形態において、３μｍ＜δｒ1＜１５μｍ。別の実施の形態において、０．５ΔC＜ΔR1＜２ΔC。またある実施の形態において、ΔR1＞Δ1。別の実施の形態において、δｒOは、少なくとも２μｍであり、好ましくは約５μｍである。さらにある実施の形態において、Δ1≦Δ3。また、ある実施の形態において、ΔC＝ΔR1であるのに対し、関連する実施の形態において、ΔC＞ΔR1。ある実施の形態において、光ファイバ１０は、ここに記載され、当業者により理解されるように、本発明の意図する範囲と動作的に矛盾したり相互に排他的ではない程度まで、上述した性質の内の１つ以上を含む。
【００３５】
図５は、リング３２Ｒ１が外側クラッド４０までずっと延在している（すなわち、δｒO→０）ＬＭＡ光ファイバ１０の実施の形態を示す、図３に類似の断面図である。図６は、図４に似ているが、図５に示された実施の形態によるプロットを示すグラフである。この実施の形態において、ｒ2＜２ｒ1。さらに、ある実施の形態において、δｒ1＜１５μｍ、より好ましくはδｒ1＜１０μｍ。またある実施の形態において、δｒ1＞３μｍ。
【００３６】
二重リングＬＭＡ光ファイバの実施の形態
図７は、図３のものに似ているが、内側クラッド３０内に形成された２つのリング３２Ｒ１および３２Ｒ２を含む、ＬＭＡ光ファイバ１０の実施の形態を示す断面図である。図８は、図４のものに似ているが、図７に示された実施の形態に対応するグラフである。
【００３７】
リング３２Ｒ１は、内径ｒ2＝ｒ1＋δｒ1、外径ｒ3＝ｒ2＋ＷR1、および屈折率ｎR1並びに関連する相対屈折率ΔR1を有する。リング３２Ｒ１および３２Ｒ２の間に、内径ｒ3＝ｒ2＋ＷR1、外径ｒ4＝ｒ3＋δｒM、および屈折率ｎM並びに関連する相対屈折率ΔMを有する低下環状部分３２Ｍがある。リング３２Ｒ２は、内径ｒ4、外径ｒ5＝ｒ4＋ＷR2、屈折率ｎR2並びに関連する相対屈折率ΔR2を有する。ある実施の形態において、ΔR1＝ΔR2。またある実施の形態において、Δ1＝ΔM、別の実施の形態において、Δ1＝ΔM＝ΔO。
【００３８】
図９は、図７のものに似ているが、外側リング３２Ｒ２が、外側クラッド４０までずっと延在している、すなわち、外側環状部分がなくなるように外側環状部分３２ＯにおいてδｒO→０となり、ｒ3＝ｒINである断面図である。図１０は、図８に似ているが、図９に示された実施の形態に対応するグラフである。
【００３９】
三重リングの実施の形態
図１１は、図５および図７のものに似ている、３つのリング３２Ｒ１、３２Ｒ２および２３Ｒ３を含むＬＭＡ光ファイバ１０の実施の形態を示す断面図である。図１２は、図１０のものに似ているが、図１１に示した三重リングの実施の形態に対応するグラフ。
【００４０】
３２Ｒ１は、内径ｒ2＝ｒ1＋δｒ1、外径ｒ3＝ｒ2＋ＷR1、および屈折率ｎR1、および関連する相対屈折率ΔR1を有する。リング３２Ｒ１および３２Ｒ２の間には、内径ｒ3＝ｒ2＋ＷR1、外径ｒ4＝ｒ3＋δｒM1、および屈折率ｎM1、および関連する相対屈折率ΔM1を有する第１の低下環状領域３２Ｍ１がある。リング３２Ｒ２は、内径ｒ4、外径ｒ5＝ｒ4＋ＷR2、および屈折率ｎR2、および関連する相対屈折率ΔR2を有する。
【００４１】
リング３２Ｒ２および３２Ｒ３の間には、内径ｒ5、外径ｒ6＝ｒ5＋δｒM2、および屈折率ｎM2、および関連する相対屈折率ΔM2を有する第２の低下環状領域３２Ｍ２がある。リング３２Ｒ３は、内径ｒ6、外径ｒIN＝ｒ6＋ＷR3、および屈折率ｎR3、および関連する相対屈折率ΔR3を有する。
【００４２】
ある実施の形態において、ΔR1＝ΔR2＝ΔR2＝ΔR。またある実施の形態において、ΔM1＝ΔM2＝ΔM≧Δ1。別の実施の形態において、内側クラッドは、外側部分３２Ｏ４０と外側環３２Ｒ３の間に、幅δｒO3（図１１および図１２において、δｒO3＝０）を有する外側環状部分３２Ｏを含む（図３および図７）。
【００４３】
ＬＭＡ光ファイバの形成
ある実施の形態において、コア２０および／または内側クラッド３０の部分３２Ｉ、３２Ｒ（または、３２Ｒ１および３２Ｒ２；もしくは３２Ｒ１、３２Ｒ２および３２Ｒ３）および３２Ｏ（もしあれば）の内の１つ、いくつかまたは全てが、ゲルマニウムがドープされたシリカ、すなわち、ゲルマニウムドープトシリカから構成され、一方で、外側クラッド４０は純粋なシリカからなる。上述した、また以下に論じるものを含む所望の相対屈折率プロファイルを得るために、ゲルマニウム以外のドーパントを、単独でまたは組合せで、コア２０および／または内側クラッド３０内に用いてもよい。
【００４４】
ある好ましい実施の形態において、ＬＭＡ光ファイバ１０は屈折率減少ドーパントを含有しない。他の好ましい実施の形態において、ＬＭＡ光ファイバ１０は、１種類以上の屈折率上昇ドーパントおよび１種類以上の屈折率減少ドーパントの両方を含有する。
【００４５】
ある実施の形態において、外側クラッド４０は、その中にゲルマニウムドーパントもフッ素ドーパントも含有しない。ある実施の形態において、外側クラッド４０は、純粋なまたは実質的に純粋なシリカである。別の実施の形態において、外側クラッド４０はフッ素ドーパントを含有する。外側クラッド４０は、ある実施の形態において、例えば、堆積プロセス中に堆積されたクラッド材料、またはロッド・イン・チューブ光プリフォーム構成におけるチューブなどのジャケットの形態で提供されたクラッド材料、もしくは堆積材料とジャケットの組合せからなっていもよい。外側クラッド４０が１種類以上のドーパントを含んでもよい。
【００４６】
ある実施の形態において、ここに開示されたＬＭＡ光ファイバ１０を構成する異なる部分のいくつかまたは全ては、気相成長プロセスにより製造される。ＬＭＡ光ファイバ１０のいくつかまたは全ての製造は、外付け法（ＯＶＤ）の使用を含むことがさらに好ましい。それゆえ、ここに開示された光ファイバを製造するために、例えば、公知のＯＶＤ堆積、固結、および線引き技法が使用されることが都合よい。内付け化学気相成長法（ＭＣＶＤ）や気相軸付け法（ＰＣＶＤ）などの他のプロセスを、単独または任意の他の堆積法と組み合わせてのいずれかで使用してよい。それゆえ、ここに開示された光ファイバの屈折率および断面プロファイルは、まったく以下に限られずに、ＯＶＤ、ＶＡＤおよびＭＣＶＤを含む、当業者に公知の製造技法を用いて実現することができる。
【００４７】
受動および能動ＬＭＡ光ファイバの実施の形態
ある実施の形態において、ＬＭＡ光ファイバ１０は受動的であり、これは、コア２０が利得媒体となる程度までドーパント（例えば、１種類以上の希土類ドーパント）を含有しないことを意味する。ＬＭＡ光ファイバ１０の受動的な実施の形態は、出力伝達および光増幅が求められない用途に適している。この用途について、コアの屈折率を上昇させるために、Ｇｅ、Ａｌ、Ｐなどのドーパント少なくとも１種類をコアにドープしてもよい。
【００４８】
別の実施の形態において、ＬＭＡ光ファイバ１０は能動的であり、これは、コア２０が、利得媒体となる程度までドーパント（例えば、１種類以上の希土類ドーパント）を含有することを意味する。それゆえ、ＬＭＡ光ファイバ１０のこの能動的な実施の形態は、ファイバレーザおよび光ファイバ増幅器（例えば、エルビウムドープトファイバ増幅器（ＥＦＤＡ））などの、光増幅が求められる用途に適している。コア２０中の少なくとも１種類のドーパントの例としては、Ｎｄ、Ｙｂ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｔｍ、Ｐｒが挙げられる。例えば、コア２０にＹｂがドープされている場合、このコアは、９００〜９８０ｎｍに及ぶ波長範囲でポンプ光を吸収し、９７６〜１１００ｎｍに及ぶ波長範囲で利得を生成する。コア２０は、２種類のドーパントをドープすることができ、例えば、ＹｂおよびＥｒがドープされたコアは、９００〜９８０ｎｍに及ぶ波長範囲でポンプ光を吸収し、１５２０〜１６００ｎｍに及ぶ波長範囲で利得を生成する。
【００４９】
能動ＬＭＡ光ファイバ１０の実施の形態において、外側クラッド４０は、非円形の、例えば、図１３に示されるように多角形の周囲４１を有する。非円形の外側クラッド周囲４１は、以下に論じる図１６Ａおよび１６Ｂにも示されている。外側クラッド４０の非円形周囲４１は、スキューモードをなくすので、ポンプ光の吸収を改善するために必要とされる。このモードは、ファイバに沿った伝搬中にコアを通過することのないモードであり、それゆえ、希土類ドープトコアの非吸収可能モードである。ここに述べられる非円形形状の例としては、以下に限られないが、多角形、Ｄ形、湾曲と多角形の組合せが挙げられる。非能動ＬＭＡ光ファイバ１０について、外側クラッド周囲４１はどのような形状を有しても差し支えない。一般に、ＬＭＡ光ファイバ１０は円形周囲４１を有している。何故ならば、この形状には、プリフォームの再成形のための余計な加工処理が必要ないからである。
【００５０】
ＬＭＡ光ファイバ１０の受動的および能動的実施の形態を利用する例示の光学系を以下に詳しく論じる。
【００５１】
共振曲げ条件によるＬＭＡ光ファイバ
本発明のＬＭＡ光ファイバ１０の鍵となる特徴は、曲げがないか、または比較的大きな選択された曲げ直径ＤBのいずれかでのシングルモード動作が与えられることである。この鍵となる特徴の重要性は、きつい曲げ条件（すなわち、小さな曲げ直径）下でのＬＭＡ光ファイバの性能を調査することにより理解することができる。
【００５２】
典型的なＬＭＡ光ファイバは、コアの相対屈折率ΔCが０．０５％と０．１％の間にある。大きなモード面積を達成するために、そのようなファイバは非常に大きいコア直径を有する必要があり、それは、典型的に、１０マイクロメートルから５０マイクロメートルに及ぶ。その結果、ＬＭＡ光ファイバはマルチモードになる。ファイバレーザにおいて、これにより、レーザビームの品質因子Ｍ2が大きくなり、これは、レーザビームの品質が不十分であることを意味する。
【００５３】
高次モードをなくすために、ＬＭＡ光ファイバは、基本モードについて漏洩モード損失を低く維持しながら、高次モードについて漏洩モード損失を誘発するように選択された量だけ曲げられる。しかしながら、コア直径が十分に大きく（例えば、３０マイクロメートル）、コアの相対屈折率ΔC（％）が比較的小さい（例えば、０．０６コアのＮＡについて０．０８６８％）場合、小さな漏洩モード損失αF＜１ｄＢ／ｍで基本モードを維持するが、漏洩モード損失αH＞１０ｄＢ／ｍにより高次モードを抑制する曲げ直径はない。言い換えれば、コアの基本モードと高次モードとの間の漏洩モード損失差Δαが、光ファイバにおけるシングルモード動作を達成するほど十分に大きい（例えば、Δα≧１０ｄＢ／ｍ）ような曲げ直径を見つけることができない。本発明において提案したファイバ構造について、ある曲げ直径で、減衰差を十分に増加させることができる。そのような曲げ直径は、ここでは「共振(resonant)」曲げ条件と称される。
【００５４】
ａ．  コンピュータモデリングおよび実験結果
本発明のＬＭＡ光ファイバの設計において、本発明者等は、数値モデリングを使用し、このモデリング結果を確認するために実験を行った。特に、本発明のＬＭＡ光ファイバ１０の光学的性質をモデル化するために、完全ベクトルのマクスウェルの方程式に基づく有限要素法を用いた。
【００５５】
本発明のＬＭＡ光ファイバ１０と共にそれに関連する用途（以下に記載する）に関して特に興味深い波長としては、１０３０ｎｍおよび１０７０ｎｍの間の波長が挙げられる。ここに以下に論じる全てのコンピュータモデリングは、１０６６ｎｍの波長を用いて行った。しかしながら、得られた結果は、当業者に明らかなように、適切な調節を行って、様々な用途に幅広い波長範囲または他の波長に適用できる。
【００５６】
光ファイバの曲げは、等角写像(conformal transformation)により記載される幾何学歪みと考えられる。それゆえ、曲げられた（湾曲した）ファイバは、等価屈折率分布、すなわち、
【数１】
0005469064.tif 000002
【００５７】
ここで、ｐ＝曲げ方向によりｘまたはｙ、Ｒは、有効曲げ半径（Ｒ＝ＤB／２、ここで、ＤBは曲げ直径）を表す、
を有する真っ直ぐなファイバにより置き換えられる。ここに論じた数値モデリングにおいて、曲げ方向をｘ方向に選択した。光ファイバが曲げられる場合、その屈折率分布は傾き、ある領域におけるクラッドの相対屈折率は、コアの相対屈折率よりも高くなり得る。この結果、コアのモードについて漏洩モード損失が生じる。
【００５８】
実際に、ＬＭＡ光ファイバは、有効に無限な領域において他の材料により取り囲まれている。それでも、無限要素法のみしか無限領域を取り扱わない。しかしながら、ファイバの外面の界面に対して垂直な方向における無限空間による光波の損失は、光ファイバの直ぐ外側の完全適合層（ＰＭＬ）を使用し、円柱座標系を用いることにより、本発明者等によってエミュレートされた。
【００５９】
各モードに関する複雑な実効屈折率を得て、各モードの実効屈折率を対応する実効伝搬定数βに変換した。これは、単純な式
0005469064.tif 000003
【００６０】
により実効屈折率に関連付けられる。この伝搬の虚数部分は、以下のように定義される式における漏洩モード損失に関連付けられる：
【数２】
0005469064.tif 000004
【００６１】
漏洩モード損失αの単位はｄＢ／ｍである。ほとんどのファイバレーザ用途について、約１ｄＢ／ｍ未満のファイバ損失が許容される。外側クラッドは、検討されている光ファイバの性質に影響はほとんどないので、コンピュータシミュレーションにおいては無視される。
【００６２】
リングが存在せず、直径ｄC＝２ｒ1＝３０μｍ、ΔC（％）＝０．０８６８％のステップ型コアを有するＬＭＡ光ファイバの曲げ損失を、異なる曲げ直径ＤBについてモデル化した。以下の表１は、ΔC（％）＝０．０８６８％およびｄC＝３０マイクロメートルの、直前に論じた実例に似た例示のＬＭＡ光ファイバに関するモデル化結果を示している。１０ｃｍおよび８ｃｍの曲げ直径ＤBで、ＦＭ損失およびＦＨＯＭの損失の両方とも小さい。ＤB＝６ｃｍでは、ＦＭ損失およびＦＨＯＭ損失の両方とも、許容できないレベルまで上昇する。このＬＭＡ光ファイバに関する最適な（共振）曲げ直径はＤB＝８．４ｃｍであり、このとき、ＦＭ損失はたった０．３８ｄＢ／ｍであり、一方で、ＦＨＯＭ損失は比較的高い８．４３ｄＢ／ｍである。このデータは、最適な損失差は、曲げ直径ＤBの比較的敏感な関数であることを示している。そのような小さな曲げ直径ＤB＝８．４ｃｍで、ファイバはシングルモードになるが、有効面積は５０％より多く減少する。
【表１】
0005469064.tif 000005
【００６３】
本発明者等により行われたコンピュータシミュレーションおよび実験は、ＬＭＡ光ファイバを、曲げによりシングルモードで動作させることができるが、この手法は、比較的小さなコア直径および比較的小さな曲げ直径を有する光ファイバのみにしか働かないことを示している。したがって、大きな曲げ直径ＤBと共に大きなコア直径ｄCを可能にするためには、少なくとも１つのリング３２Ｒが必要である。
【００６４】
リング領域の機能
ＬＭＡ光ファイバ１０における１つ以上のリング３２Ｒの鍵となる機能は、コアのモードの制御された漏洩モード損失を導入することにある。ある実施の形態において、このことは、光ファイバの曲げと協力して達成される。制御された漏洩モード損失は、基本モードについては比較的小さく維持される（例えば、１ｄＢ／ｍ未満のαF）が、それと同時に、比較的大きい曲げ直径ＤBでの高次モードについては、ずっと大きい（例えば、αHは、好ましくは５ｄＢ／ｍより大きく、より好ましくは１０ｄＢ／ｍより大きく、さらにより好ましくは１５ｄＢ／ｍより大きい）。
【００６５】
リング３２Ｒ自体が導波路を形成できるが、これは、ある場合には望ましくない。特に、ＬＭＡ光ファイバ１０を光出力供給のための受動的導管として使用する場合、リングの導波モードは、ＦＭと混ざり、ビーム品質を劣化させ得る。この問題は、ＬＭＡ光ファイバ１０の能動的な実施の形態にとってはそれほど重大ではない。コア２０の外側を伝搬する光は、利得を得ず、したがって、急激に失われる。曲げは、リング３２Ｒ内に捕捉された誘導モードを抑制するのに役立ち得るが、コアの誘導モードにも同様の効果を有し得る。
【００６６】
このリングのモードを抑制するために、ある実施の形態において、リングの幅ＷRは、リングのモード並びにコア中の高次モードに関する曲げ損失が相当大きくなるように選択される。リングのモードは、コアの高次モードよりも、懸念がずっと少ない。本発明の能動的および受動的のＬＭＡ光ファイバの実施の形態の両方について、リングのモードを励振する可能性およびリングのモードに励振され得る光の割合は、ファイバの中心線１６から外れているので非常に小さく、ＬＭＡ光ファイバにより伝搬される信号光は常に中心で励振される。
【００６７】
上述したように、ＬＭＡ光ファイバ１０は、図７から図１０に関して述べた二重リングの実施の形態、および図１１および図１２に関して述べた三重リングの実施の形態などの、複数のリングを有し得る。多数のリングのモードを導波でき、曲げ条件下で十分に損失が多くはないであろう単一の幅広いリングを避けるために、上述した二重リングと三重リングの実施の形態などの多重リングの実施の形態を使用できる。ｄC＝３０μｍ、ΔC＝ΔR＝０．０８６８％を有する「無リング」のＬＭＡ光ファイバ１０の上述した実施の形態を検討するが、ここでは、このファイバは、リングの内側半径ｒ2＝２５μｍ（δｒ1＝１０μｍ）、およびリングの幅ＷR＝５０マイクロメートルを有する単一のリング３２Ｒを含む。曲げ直径ＤB＝２８ｃｍで、ＦＭ漏洩モード損失はαF＝０．０００９７８ｄＢ／ｍであり、一方で、ＦＨＯＭ漏洩モード損失はαH＝２１．３ｄＢ／ｍである。それゆえ、リングのない設計と比較すると、リング３２Ｒの存在により、最適な曲げ直径がＤB＝８．４ｃｍからＤB＝２８ｃｍに増加した。
【００６８】
リングのパラメータ
直前に論じた単一リングのＬＭＡ光ファイバ１０の実施の形態を対照として用いて、本発明者等は、リング関連のパラメータの範囲を探求するために、包括的モデリングを行った。本発明者等は、リングの左側の縁がコアの縁に近いほど（すなわち、ｒ2がｒ1に近いほど、すなわち、δｒ1の値が小さいほど）、曲げ損失が直ぐに起こる（すなわち、シングルモードの動作を提供するＤBの値が大きくなる。）。しかしながら、コアと最も内側のリングとの間にある程度の間隔が必要である（すなわち、δｒ1＞０）。ある実施の形態において、３μｍ＜δｒ1＜１５μｍ。
【００６９】
例えば、検討中の例示のＬＭＡ光ファイバにおいて、ｒ2を２０μｍに調節し、一方で、リングの幅ＷRが５０μｍのままである（それゆえ、δｒ1＝５μｍ）場合、ＦＭ損失およびＦＨＯＭ損失の両方が、ＤB＝２８ｃｍで、２２ｄＢ／ｍより高い。基本モードに関するこの減衰αFは、実際的な用途にとっては高すぎる。リングの幅ＷRは、注意深く選択する必要があるが、このとき、最適幅は、ＬＭＡ光ファイバ１０が受動型または能動型であるかに依存する。受動的な実施の形態について、リングの幅ＷRは、リングのモードのほとんどが、選択された曲げ直径ＤBに曲げられたときに抑制されるように選択すべきである。例えば、リングの幅ＷRは、（２．５）ｄC未満の幅を有することが好ましく、内側クラッドの縁に到達しない（すなわち、ｒ1＜ｒ2、すなわち言い換えれば、δｒ1＞０、好ましくはδｒ1＞３μｍ）ことが好ましい。
【００７０】
リングの幅の要件は、ＬＭＡ光ファイバ１０の能動的な実施の形態にとってはそれほど重大ではない。何故ならば、ドープされたコアの外側を誘導される光は、増幅を経験せず、それゆえ、増幅性能にはほんのわずかしか影響しないからである。これにより、能動ＬＭＡ光ファイバの設計において追加の融通性が提供される。リングの幅ＷRを１００マイクロメートルに広げ、ｒ2＝２５マイクロメートルに維持することによって、最適曲げ直径ＤB＝３２ｃｍであるのに対し、ＦＭの漏洩モード損失は０．１３ｄＢ／ｍである一方で、ＦＨＯＭの漏洩モード損失は２４．７ｄＢ／ｍである。
【００７１】
ここで、ｄC＝４０μｍ、ΔC＝ΔR＝０．０８６８％を有し、リングの内径ｒ2＝３０μｍ（それゆえ、δｒ1＝１０μｍ）およびＷR＝５５μｍである単一リングのＬＭＡ光ファイバ１０を検討する。３つの異なる曲げ直径ＤBでの曲げ損失が、以下の表２に提示されている。ＤBが２０．４ｃｍである場合、ＦＭ損失αFは約１ｄＢ／ｍであり、一方で、ＦＨＯＭ損失αHは５．６ｄＢ／ｍである。この場合、相対減衰αrは５．６である。重ねて、漏洩モード損失の挙動は、曲げ直径ＤBに敏感に依存している。最適な曲げ直径ＤBは、２０ｃｍ辺りの狭い曲げ直径の領域内にある。
【００７２】
ここで、上述した実例のＬＭＡ光ファイバ１０を調節して性能を改善する。具体的には、ＷR＝７０μｍとなるように、ｒ3を１００μｍに設定する。この結果が以下の表３に提示されている。ＤB＝２５．６ｃｍについて、ＦＭの漏洩モード損失αF＝０．２３ｄＢ／ｍであり、一方で、ＦＨＯＭの漏洩モード損失αH＝１２．８ｄＢ／ｍであり、したがって、相対減衰αr＞５６である。最適ＤB＝２５．６ｃｍについて、モードフィールドのサイズも増加している。
【００７３】
ファイバの屈折率プロファイルを、理想化された目標にしたがって正確に実施することが難しいこともあり得ることに留意すべきである。しかしながら、通常の状況下では、曲げ直径ＤBは、典型的に元の目標の（理想化された）曲げ直径からわずかしか違わない、最適な曲げ直径になるように迅速に調整できる。
【表２】
0005469064.tif 000006
【表３】
0005469064.tif 000007
【００７４】
上述したモデリング結果において、内側クラッドを超えた効果は無視した。内側クラッドを超えた構造、例えば、外側クラッド４０、および一次被覆と二次被覆を含む追加の被覆５０は、光ファイバの曲げ特性に些細ではない役割を果たし得る。しかしながら、当業者には、そのような効果は、ここに提示されたモデリング結果には著しくは影響しないと理解されるであろう。
【００７５】
実験結果
本発明により製造したＬＭＡ光ファイバに行った実験により、先に提示したコンピュータモデリング結果との非常に良好な一致を示した。図１４のΔ（％）対半径ｒのグラフに示されたように、測定された屈折率プロファイルΔ（％）対半径ｒ（μｍ）およびコア直径ｄC＝３０μｍを有するＬＭＡ光ファイバ１０を、ビームの品質測定に使用した。図１４のグラフは、屈折式近視野（ＲＮＦ）測定により得た。１０６０ｎｍでのシングルモードファイバレーザのレージングを、ＬＭＡ光ファイバ１０を照射するための光源として用いた。このファイバレーザからのレーザビームを、ナノ位置決めステージにより、ＬＭＡ光ファイバに突合せ結合した。外側クラッドのモードは、外側クラッドに塗布した高屈折率油を使用することにより除去した。
【００７６】
２つの異なる曲げ直径ＤB＝１６ｃｍおよびＤB＝３２ｃｍでの測定したビーム品質が、図１５Ａおよび１５Ｂにおいてビーム半径（μｍ）対位置（ｍｍ）のそれぞれのグラフに示されている。図１５Ａについて、ＬＭＡ光ファイバをＤB＝１６ｃｍの直径に曲げたときに、シングルモードの出力に相当する回折限界ビームが観察された。ここで図１５Ｂを参照すると、曲げ直径がＤB＝３２ｃｍまで増加した場合、ビームは回折限界の４．８倍まで劣化し、これは、出力ビームにおける多数の高次モードの組合せに対応する（注記：菱形の記号は測定値を表し、実線は近似曲線を表す）。
【００７７】
同じコア直径ｄCを有する従来のＬＭＡ光ファイバと比べると、本発明のＬＭＡ光ファイバには、シングルモードの動作を達成するためにきつい曲げは必要ない。ある実施の形態において、９ｃｍ＜ＤB＜４０ｃｍ。この独特の性質により、有害な非線形効果を生じさせずに、有効ＭＦＤ、それゆえ、高出力を搬送する能力を増加させるだけでなく、きつい曲げからのポンプ光の漏れによるファイバの損傷の虞を減少させる。その結果、ＲＥドープトＬＭＡ光ファイバは、ファイバレーザに使用した場合、有害な非線形効果の兆候により限られることなく、シングルモード光からの高品質の回折限界ビームおよびずっと高い出力を生成できる。
【００７８】
偏波保持の実施の形態
偏波の管理は、高出力ファイバレーザに使用される能動型および受動型両方のＬＭＡ光ファイバにとって重要な課題である。直線偏光レーザの出力のために、出力合成および波長変換用途が容易になる。
【００７９】
図１６Ａおよび図１６Ｂは、図５に示されたものと類似のＬＭＡ光ファイバ１０の断面図であるが、このＬＭＡ光ファイバは、光ファイバを偏波保持にする応力誘起領域８０Ａおよび８０Ｂを含んでいる。図１６Ａの実施の形態において、応力誘起領域は、「蝶ネクタイ」の形状にあり、一方で、図１６Ｂにおいては、円形断面のロッドの形状にある。２つの異なる断面について、２つの屈折率プロファイルが図１６Ａに示されている。これらの屈折率プロファイルは図１６Ｂについても同じである。図１６Ａおよび図１６Ｂに示された実施の形態において、外側クラッド４０は、多角形（例えば、八角形）の外側周囲４１を有しており、これは、偏波保持効果を向上させるように働く。
【００８０】
応力誘起領域８０Ａおよび８０Ｂは、コア２０に対して直径方向反対に配置され、周囲の材料のものとは異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有するガラス材料から形成されている。応力誘起領域８０Ａおよび８０Ｂは、導波路のコアを形成しないように、周囲の材料のものより低い屈折率も有することが好ましい。
【００８１】
そのようなファイバを線引きするときに、長手方向に延在する応力誘起領域８０Ａおよび８０Ｂおよび周囲の材料は、異なる量だけ収縮し、それによって、領域８０Ａおよび８０Ｂは、引張りまたは圧縮歪みの状態に置かれる。歪み誘起複屈折（他には、応力誘起複屈折と称される）がファイバ内に与えられ、それによって、２つの垂直に偏光される基本モードの間の結合が減少する。
【００８２】
ＤB→∞（曲げのない）の場合の実施の形態
上述したように、本発明のＬＭＡ光ファイバ１０の実施の形態には、高次モードを取り除き、コア２０内を伝搬する基本モードを残すために、曲げは必要ない（すなわち、ＤB→∞）。むしろ、高次モードは、ＬＭＡ光ファイバ１０がシングルモードファイバのように挙動するように、真っ直ぐなコア２０から通り抜ける。
【００８３】
設計の概念を説明するために、ＬＰ１１モード（すなわち、ＦＨＯＭ）およびＬＰ０１モード（すなわち、ＦＭ）のトンネル損失(tunneling loss)を、図５および６に示したＬＭＡ光ファイバ１０の実施の形態について、異なるコア直径ｄC＝２０，３０および５０μｍで計算した。計算において、コアの相対屈折率ΔC＝０．１％およびΔC＝ΔR1。
【００８４】
図１７Ａ、図１７Ｂおよび図１７Ｃは、それぞれ、半径ｒ2（すなわち、リング３２Ｒ１の内径）の関数としてのトンネル損失α（ｄＢ／ｍ）のプロットを示している。これらのプロットから、半径ｒ2を変えることによって、ＬＰ１１モードの損失αHがずっと大きい一方で、ＬＰ０１モードの損失αFが小さくなり得ることが分かる。例えば、図１７Ａにおいて、図１７Ａにおいて、ｄC＝２０μｍについて、ｒ2＝２７．５μｍの場合、ＬＰ０１モードの損失αF＝０．１ｄＢ／ｍであるが、ＬＰ１１モードの損失αH＝３ｄＢ／ｍである。この実例において、ＬＰ１１モードとＬＰ０１モードとの間の相対減衰は３０である。よりコアの大きいファイバについて、損失対比はより小さくなる。図１７Ｂの３０μｍのコアのファイバについて、相対減衰αrは１０まで減少し、図１７Ｃの５０μｍのコアのファイバについて、相対減衰は約５である。
【００８５】
それゆえ、ＬＭＡ光ファイバ１０は、リング３２Ｒ１の位置（すなわち、半径ｒ2）が正確に制御されていれば、十分な相対減衰αrを有するために曲げを有する必要がない。しかしながら、半径ｒ2が目標値よりも大きい場合、ＬＰ１１モードの損失αHは十分に大きくはないであろう。この場合、上述したようにαHをさらに増加させるために、曲げを用いても差し支えない。また上述したように、シングルモード動作を行うために必要な曲げ直径ＤBは、ファイバの曲げにより生じる有効モード面積の減少が、小径の曲げに関連する減少ほど大きくならないように比較的大きい。
【００８６】
図１８は、ｒ2＝３５および４０μｍの２つの５０μｍのコアのファイバ、および同等のクラッドを有するｄC＝５０μｍのコアを有するＬＭＡ光ファイバ１０の実施の形態に関する、曲げ半径（ＤB／２）の関数としての曲げ損失α（ｄＢ／ｍ）をプロットしている。このプロットは、所定の曲げ損失値について、曲げ半径（それゆえ、曲げ直径ＤB）が著しく増加していることを示している。
【００８７】
他の屈折率分布は、ＬＭＡ光ファイバ１０の曲げのない実施の形態にしたがう。例えば、図３と図４に関して上述した光ファイバ１０の他の単一リングの実施の形態、図７から図１０に関して記載した二重リングの実施の形態、および図１１と図１２に関して上述した三重リングの実施の形態は、ＤB→∞にして、シングルモード動作が得られるように設計することもできる。ＬＭＡ光ファイバ１０の単一リングの実施の形態において、コアの高次モードはリングのモードに結合する。必要であれば、リングのモードは、非常に曲げに敏感なので、大きな曲げにより除去しても差し支えない。ＬＭＡ光ファイバ１０の二重と三重のリングの実施の形態において、リング３２Ｒ１、３２Ｒ２および３２Ｒ３は、コアの高次モードが通り抜けられるように互いに結合することができる。
【００８８】
光学系用途
本発明のＬＭＡ光ファイバ１０は、数多くの異なる用途のために多数の異なるタイプの光学系に使用できる。
【００８９】
図１９は、マルチモード誘導光をシングルモード誘導光に変換し、シングルモード誘導光に基づく出力ビームを提供する、光学系１００の一例である。光学系１００は、入力光１０８を生成する入力光源１０４を備えている。入力光源１０４は、入力結合レンズ１１０を介してＬＭＡ光ファイバ１０の入力端１２に光学的に結合されている。ある実施の形態において、ＬＭＡ光ファイバ１０は、上述したように、この光ファイバにシングルモード動作を与える、選択された曲げ直径ＤBを有する曲げ１０Ｂを含む。ある実施の形態において、曲げ１０Ｂは光ファイバ１０の完全な一巻き以上を含む。別の実施の形態において、光ファイバ１０は、選択された曲げ直径ＤBの曲げを含まないが、それにもかかわらず、ちょうどその光学系が比較的小型に維持できるように非常に大きい曲げ直径を有する曲げを含んでもよい。
【００９０】
ＬＭＡ光ファイバ１０は３つの区画に分割できる。第１の区画は、光ファイバがマルチモードをサポートする区画１０Ｍである。区画１０Ｍは曲げ１０Ｂの光学的に上流である。第２の区画は上述した曲げ１０Ｂであり、これは、高次モードが、ＦＭに対して高い減衰を経験し、除去される移行区域である。第３の区画は、曲げ１０Ｂのモード濾波作用のためにＦＭのみしか伝搬しない、曲げ１０Ｂの光学的に下流にある区画１０Ｓである。光学系１００は、必要に応じて、光ファイバの出力端１４に隣接して配置された出力結合レンズ１２０も含む。
【００９１】
光学系１００の動作において、入力光源１０４は入力光１０８を生成し、これが、入力結合レンズ１１０により入力端１２としてＬＭＡ光ファイバ１０に結合される。この光は、光ファイバの区画１０Ｍ中を、ＦＨＯＭおよびＦＭの両方を含むマルチモード誘導波２００として伝搬する。マルチモード誘導波２００は曲げ区画１０Ｂに伝搬し、ここで、高次モードが除去され（共振曲げ効果の有無にかかわらず）、光ファイバの区画１０Ｓ中をＦＭ２１０のみが伝搬する。次いで、ＦＭ２１０は、出力端１４でＬＭＡ光ファイバから、回折限界出力光ビーム２３０として出力される。次いで、出力光ビーム２３０は、出力結合レンズ２１０に隣接して配置された受光系１５０に提供することができる。受光系１５０は、出力光ビーム２３０中の光を受光し伝達するかまたは処理する任意の光学系である。
【００９２】
本発明のＬＭＡ光ファイバ１０の能動的な実施の形態に極めて適した別の例示の用途は、波長変換である。ＹｂまたはＥｒドープトコア２０について、ＬＭＡ光ファイバ１０は、例えば、１μｍの波長領域または１．５μｍの波長領域で、有効な増幅を行うことができる。能動的ＬＭＡ光ファイバ１０が高出力でポンピングされる場合、このファイバは、有害な非線形効果の兆候なく、高出力の単一周波数出力を提供する増幅器として働くことができる。能動ＬＭＡ光ファイバ１０から生成される高出力の出力ビームは、回折限界ビーム品質を有し、それ自体、可視波長および中赤外波長などの、異なる波長を生成するために光学パラメータ式共振器（ＯＰＲ）のポンプ源として使用しても差し支えない。能動ＬＭＡ光ファイバ１０により生成される高品質のビームは、従来のＯＰＲと比べて非線形変換効率を著しく改善できるように非常に小さなサイズに集束させることができる。ある実施の形態において、本発明のＬＭＡ光ファイバ１０に実施できる例示の波長変換プロセスとしては、第二高調波発生、第三高調波発生、光学パラメータ式共振、および周波数混合が挙げられる。
【００９３】
図２０は、本発明のＬＭＡ光ファイバ１０を利用した、本発明による光学パラメータ式発振器システム（ＯＰＲＳ）３００の実施の形態である。ＯＰＲＳ３００は、１０６０μｍの波長で動作する光ファイバ光源などの、光源１０４を備えている。光源１０４は、前置増幅器３１６に光学的に結合されており、この増幅器は、ある実施の形態において、ＲＥドープト光ファイバの一部である。前置増幅器３１６は、次に、光アイソレータ３２０に光学的に結合されている。ポンプ・コンバイナ３２４が、光アイソレータ３２０並びに多数のポンプ光源３２６に光学的に結合されている。ポンプ・コンバイナ３２４は、入力端１２でＬＭＡ光ファイバ１０の一部にも光学的に結合されている。ＬＭＡ光ファイバ１０は、マルチモード区画１０Ｍ、各々曲げ直径ＤBを持つ１つ以上のループを有する曲げ区画１０Ｂ、およびシングルモード区画１０Ｓを含む。ＯＰＲＳ３００のこの部分が、光ファイバ増幅器３４０を構成する。
【００９４】
ＬＭＡ光ファイバ１０の出力端１４は、入力端３５２、出力端３５４および関連する光路３５６を有する光学系３５０に光学的に結合されている。非線形光媒体３６０（例えば、非線形光学結晶）が光路３５６内に配置されている。ある実施の形態において、ジグザグ型の光路３５６が、図１９に示すように配置された２つのダイクロイックミラーＤＭ１とＤＭ２および２つの通常のミラーＭ１とＭ２により形成され、ダイクロイックミラーＤＭ１とＤＭ２は、それぞれ、入力端３５２および出力端３５４に配置されている。
【００９５】
ＯＰＲＳ３００の動作において、光源１０４は、前置増幅器３１６に伝搬する入力光１０８を生成し、この増幅器はこの入力光を前置増幅する。次いで、入力光１０８は、光アイソレータ３２０を通過する。この光アイソレータは、光が光源１０４に到達するのを防ぐように設計されている。次いで、光１０８はポンプ・コンバイナ３２４を通過して、ＬＭＡ光ファイバ１０に伝搬する。一方で、ポンプ光源３２６は、ポンプ・コンバイナ３２４を通じてＬＭＡ光ファイバ１０に向けられるポンプ光３２８を生成する。ポンプ光３２８は、入力光１０８が、コアを通過するときに増幅されて増幅光１０８’を形成するように、（希土類）ドープトコア２０をポンピングするように働く。次に、増幅光１０８’は、入力端３５２で光学系３５０に入る。増幅光３３０は、光路３５６を伝搬し、非線形光媒体３６０を通過する。この光媒体は、増幅光の波長変換を行い、それによって、波長変換光１０８”を形成する。次に、波長変換光１０８”は、その光路の残りの部分を伝搬し、出力端３５４で光学系３５０から出て、それによって、波長変換光１０８”の出力ビーム４００を形成する。
【００９６】
ＯＰＲＳ３００は、従来のＯＰＲＳよりも、出力ビーム４００において比較的多量の出力（１０倍まで多い出力）を生成することができる。何故ならば、本発明のＬＭＡ光ファイバ１０は、上述した有害非線形光学効果を起こさずに、比較的高い光出力をサポートできるからである。
【００９７】
本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明に様々な改変および変更を行うことができるのが当業者には明らかである。それゆえ、本発明は、本発明の改変および変更を、それらが添付の特許請求の範囲およびその同等物に含まれるという条件で包含することが意図されている。
【符号の説明】
【００９８】
１０    ＬＭＡ光ファイバ
２０    コア
３０    内側クラッド
３２Ｉ    環状内側部分
３２Ｒ、３２Ｒ１、３２Ｒ２    リング
３２Ｏ    外側環状部分
４０    外側クラッド
５０    被覆
１００，３５０    光学系
１０４    光源
１１０    入力結合レンズ
１５０    受光系
２３０    出力光ビーム
３００    光パラメータ式共振器システム
３１６    前置増幅器
３２０    光アイソレータ
３２４    ポンプ・コンバイナ
３２６    ポンプ光源
３４０    光ファイバ増幅器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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